电源 IC 支持高效高功率密度 140W PD3．1 适配器设计

GaNSense 半桥 IC 使 ZVS AHB 反激式拓扑能够以更高的频率运行，并使用更小的变压器和更高的效率。140 W PD 3.1 评估板展示了完整系统设计的功能和性能。该评估板在 90 VAC 下实现了 94.5% 的效率，在 230 VAC 下实现了 95.8% 的效率，与之前的设计相比，效率至少提高了 1%，节能高达 20%。预计外壳尺寸为 100 cc，功率密度为 1.4 W/cc。

更高的速度+更高的效率=更小的尺寸

对减小电源尺寸的需求不断增长，不断挑战该行业生产越来越高的效率和功率密度。由于硅器件达到其频率限制（<100 kHz），提高硅基电源性能的能力已经放缓，这阻碍了电路拓扑和磁性设计的进一步优化。新兴GaN 宽带隙器件由于 QG 栅极电荷降低 15 倍、Qoss 输出电荷降低 16 倍以及开关速度提高，效率和尺寸显着提高。GaNSense 电源 IC 集成了可靠、稳健设计所需的所有缺失要素，使这些设备终走出实验室，进入现实世界的快速充电器和适配器。其中包括 GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半桥 IC 中的集成栅极驱动、稳压栅极电压、无损电流感应和保护功能（图 1）。这些产品支持新的电路拓扑，业界正在利用它们来推进更小、更高效的设计。

图 1.  GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半桥 IC 简化框图和主要特性。图片由博多电力系统提供
GaNSense 提高 PFC 频率和效率

图 2. 硅基升压 PFC（左）与无损 GaNSense 升压 PFC（右）。图片由博多电力系统提供 

可以添加升压跟随器功能以进一步提高效率，以便直流母线在低压线路交流输入期间以较低的电压运行。这样可以降低峰值电流水平、降低负电流和循环能量以及降低磁芯损耗（图 3）。所有这些改进相结合可额外带来 +0.3% 的效率优势。

图 3. 在满负载和不同直流母线电压水平（90 VAC/400 V（左）和 90 VAC/260 V（右））的情况下，在交流半周期内提升峰值电感器电流。图片由博多电力系统提供  [PDF]

GaNSense 支持 AHB，AHB 支持 PD 3.1

准谐振反激式由于其宽电压增益能力而成为下游转换器的流行拓扑。然而，当功率水平增加到 100 W 以上时，变压器泄漏能量显着增加。随着泄漏能量的增加，初级开关和次级 SR 开关上的电压应力也会增加，包括更高的电压尖峰和EMI 噪声。此外，USB供电规范修订版3.1支持更高的输出电压水平，例如28V至48V，这使得反激变压器匝数比的设计更加困难。初级和次级上的电压应力远高于传统的 20 V 输出条件。非对称半桥反激式转换器采用初级侧开关的零电压开关 (ZVS) 和次级侧整流器的零电流开关 (ZCS) 运行。此外，初级开关被钳位在PFC处输出电压通常约为 400 V，因此应力和电压振铃问题得到显着缓解。出于这些原因，AHB 拓扑是 PD 3.1 应用的，而 GaNSense 半桥 IC 可以实现小变压器尺寸的高频操作和无损电流感应，从而实现更高的效率（图 4）。

图 4. 硅基 QR 反激式（左）与无损 GaNSense AHB 反激式（右）。图片由博多电力系统提供  
140 W，PD 3.1 评估板

完整的 PFC+AHB 140 W、PD 3.1 评估板 (EVB)（图 5）已经构建并测试了功能和性能。该设计实现了令人印象深刻的 100 cc 估计外壳尺寸，功率密度为 1.4 W/cc。EVB 包括优化的 PFC、AHB 和 SR 功率级和磁性器件，并使用现成的控制器。PFC 和 AHB 电源系围绕 NV6138A GaNSense 电源 IC 和 NV6245C GaNSense 半桥 IC 设计。EVB 还包括EMI 滤波并通过传导和辐射发射。

图 5.  140 W、PD 3.1 评估板，效率 = 94.5%，估计外壳尺寸 = 100 cc。图片由博多电力系统提供  [PDF]

满载升压PFC波形如图 6 所示。在 115 VAC 线路输入期间，升压电路在零电压开关 (ZVS) 条件下工作，其中升压开关节点电压 (VSW) 在 GaN 功率 FET 导通之前降至零。每个开关周期。在 230 VAC 线路输入期间，升压电路在部分 ZVS 条件下运行，其中 VSW 下降至约 100 V，然后从该处硬切换至零。控制器在关断期间自动检测 VSW 节点的谷值，以便在每个开关周期再次开启，以尽可能优化电压水平的开启点，从而限度地减少硬开关损耗。由于 GaN 功率 IC 具有非常低的输出电容，因此漏极电压将在每个周期快速降至谷值。控制器必须具有快速谷值检测功能，以确保在 VSW 电压恢复之前在点开启。升压跟随器功能还可以在低线电压条件下直流母线电压降低至 300 VDC 以及高线电压条件下升高至 400 VDC 时发挥作用。

图 6. 满负载条件下的升压 PFC 开关波形，115 VAC 输入（左）、230 VAC 输入（右），IL=蓝色（1 A/格），VDS=黄色（100 V/格）。图片由博多电力系统提供 

图 7.  115 VAC 输入和满负载条件下的 AHB 开关波形，IL=蓝色（2 A/格），VSW=黄色（100 V/格）。图片由博多电力系统提供 

图 7 显示了 115 VAC 输入和满负载条件下的 AHB 半桥开关节点 (VSW) 和槽路电流 (IL) 波形。谐振槽路电流在每个半桥低侧导通时间内线性上升，然后在每个半桥高压侧准时谐振。这使得 GaNSense 半桥 IC VSW 输出节点在每个开关周期内都能实现干净、平稳的 ZVS 操作。AHB 工作频率范围为 125 至 300 kHz，具体取决于输入线路和输出负载条件。

效率曲线（图 8）显示 4 点效率和负载效率。该设计在 90 VAC 输入条件下实现了惊人的 94.5% 满载效率，比的产品至少高出 1%，节能高达 20%。90 VAC 和满负载时的效率决定了终适配器产品的外壳尺寸和外壳接触温度。

图 8.4 点效率（左）和负载效率（右）曲线。图片由博多电力系统提供  

传导和辐射 EMI始终是电源设计的一个主要问题。由于更快的开关速度和频率，采用 GaN 的新设计不断受到 EMI 挑战的质疑。设计人员通常在设计接近完成阶段时才解决其设计的 EMI 部分，结果却惊讶地发现排放远远超出了允许的限制。该设计的 EMI 扫描（图 9）显示，传导 EMI 和辐射 EMI 均远低于限制，并且具有足够的制造公差余量。这些结果可以通过在设计阶段尽早实施适当的 EMI 指南来实现，其中包括 PCB 接地层、电感器屏蔽、正确设计的 EMI 滤波器组件、正确的 PCB 平面规划以及组件位置和邻近度等良好实践。

图 9.  115 VAC/140 W 下的传导发射（左）和 230 VAC/140 W 下的辐射发射（右）。图片由博多电力系统提供